1、第 46 卷第 2 期固 体 火 箭 技 术Journal of Solid ocket TechnologyVol46 No2 2023级间憋压分离电连接器高速斜拉分离过程有限元分析林三春*，邵超，董瑞涛，付继伟(北京宇航系统工程研究所，北京100076)摘要:航天器级间憋压分离时电连接器高速斜拉分离具有短时高速、大变形、复杂接触、干扰因素多的特点，其分离设计是难点之一。为此，研究了级间憋压分离电连接器高速斜拉分离机理，建立壳体碎片运动微分方程，获得壳体碎片的运动速度和加速度。基于 ABAQUS 软件，采用多种简化建模方法，建立电连接器高速斜拉分离的高效率计算仿真模型，模拟分离过程分离钢索拉
2、脱、电连接器分离过程的变形和受力情况，仿真得到电连接器高速斜拉状态下可能发生局部断裂，与电连接器高速斜拉试验获得了较为一致的结果。关键词:级间分离;电连接器;分离钢索;高速斜拉分离中图分类号:V4217文献标识码:A文章编号:1006-2793(2023)02-0328-05DOI:107673/jissn1006-2793202302017Finite element analysis of high-speed cable-stayedseparation for electrical connector withinterstage pressure-holding separation
3、LIN Sanchun*，SHAO Chao，DONG uitao，FU Jiwei(Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering，Beijing100076，China)Abstract:The high-speed cable-stayed separation of electrical connector during the spacecraft inter-stage pressure-holding sep-aration is of short-time high-speed，large deformation，compl
4、ex contact and many interference factors Its separation design is one ofthe engineering design difficulties The mechanism of high-speed cable-stayed separation of electrical connectors with thermal stageseparation was studied The differential equation of case fragment motion was established，then the
5、 velocity and initial velocity ofcase fragment were obtained Based on ABAQUS software，the high-efficiency simulation model of high-speed cable-stayed separa-tion of electrical connector was established using many simplified modeling methods，so as to simulate cable pulling，deformationand stress in th
6、e separation process of electrical connector The simulation results show that the local fracture may occur in the high-speed cable-stayed state of electrical connector，which is consistent with the high-speed cable-stayed test of the electrical connectorKey words:inter-stage separation;electrical con
7、nector;separating cable;high-speed cable-stayed separation0引言多级航天器低空分离时受到气动干扰，从而影响分离过程航天器的姿态稳定性。为确保正常分离，要求控制失控时间，快速完成分离过程。因此，通常采用级间憋压分离的方式，即上面级发动机点火先于结构分离。上面级发动机点火后，发动机喷流作用下，密闭级间空间内快速产生高压。在内压作用下，结构切割成碎片后，迅速“吹”离上面级，从而实现级间分离。值得注意的是，分离完成需要上面级与下面级电气系统断开，其通常是通过电连接器分离实现。电连接器的分离一般采用机械式分离方式，通过壳体分离碎片上的分离钢索拉动
8、电连接器插头，实现与上面级的插座分离。级间憋压分离的壳体碎片分离速度往往在几毫秒内加速至几十米每秒，因此要求电连接器及其分离钢索具备短时、高速分离的适应能力。电连接器分离过程受发动机喷流产生复杂的气动环境影响，需要考虑823收稿日期:2022-05-18;修回日期:2023-03-25。通讯作者:林三春，男，硕士，研究方向为飞行器设计。多种因素耦合作用。对于小直径的多级航天器，由于级间内空间狭小，电连接器的布局无法保证分离钢索作用方向与壳体碎片运动方向平行，分离过程只能采用分离钢索倾斜一定角度斜拉电连接器插头分离的方式，斜拉对电连接器的正常分离带来更大的设计难度。目前，对电连接器分离的研究主要
9、集中在冷分离中的应用13，分离速度低，分离过程干扰因素较少。崔二巍对集成式连接器进行了设计，并用 ADAMS 对其分离过程进行了仿真2。何建锋对冷分离用电连接器进行了设计和改进，提高了电连接器接触可靠性3。张彤等通过试验及有限元仿真分析，研究了电连接器在多种应力作用下的工作性能变化，通过热-电耦合分析比较了接触电阻和应力应变情况4。张晓彤等通过有限元分析方法，研究了电连接器接触体结构参数变化对插拔特性的影响5。邵明坤等通过理论和有限元的方法，从材料、工艺、装配等方面对电连接器断裂影响进行了分析，给出了接触件的破坏弹力区间6。闵尧等通过简化电连接器插拔过程，建立插针、插孔有限元模型，对电连接器插
10、拔过程中的插拔力和接触应力变化进行瞬态分析7。LUO 等研究了湍流作用下，湍流度、飞行速度和飞行高度对电连接器接触力和接触电阻的影响规律8。LING 等通过有限元分析，研究了电连接器收敛角和同心度与插拔力之间的关系，给出了实际使用可接受区间9。SANTOSH 等则通过分析电连接器接触处的微观型面，采用有限元方法预测了粗糙连接面下的接触力10。针对目前低空级间憋压高速分离的大趋势下，级间憋压分离电连接器高速分离的相关研究则较为匮乏。为确保电连接器高速分离的安全性和可靠性，本文研究级间憋压分离电连接器的高速斜拉分离机理，基于有限元方法建立电连接器高速斜拉分离的高效率计算仿真模型，揭示高速分离过程电
11、连接器及分离钢索的受力与变形传导机理。1电连接器高速斜拉分离过程机理分析如图 1 所示，级间憋压分离电连接器安装于喷管侧壁，电连接器插头一端通过分离钢索与壳体分离碎片连接，分离钢索取一定的松弛量，避免提前拉断。切割后产生的壳体碎片在内压作用下迅速远离，拉动分离钢索运动，从而拉开电连接器插头，实现电连接器分离。电连接器分离过程按动作顺序，可分为两个阶段。(1)阶段一:壳体碎片运动至分离钢索拉紧。壳体切割产生的碎片在喷流压力作用下沿径向向外加速远离，拉动分离钢索运动至钢索拉紧。壳体运动碎片在内压的作用下沿着径向向外远离，假设壳体碎片的面积为 S，质量为 m，作用于壳体上的压力为 p(t)，运动速度
12、为 v、运动距离为 L，钢索拉紧前壳体仅受压力作用，可以得到如下公式:dvdt=p(t)Smv=dLdt(1)通过试验测得壳体碎片的面积 S 为 15 m2，质量m 为 22 kg，由于拉紧过程时间较短，可近似认为 p 为定值，测得值为 02 MPa。若分离钢索松弛量为 12 mm时，求解可得分离钢索拉紧所需时间为 13 ms，从而获得拉紧时刻的壳体速度、加速度等运动状态。基于Matlab 编程求解式(1)，可得拉紧时刻壳体碎片的速度约为 18 m/s，加速度约为 13 636 m/s2。图 1电连接器倾斜安装Fig1Inclined installation of the electrica
13、l connector(2)阶段二:分离钢索拉动电连接器解锁分离。分离钢索拉紧后，开始拉动电连接器插头内部解锁杆，克服解锁力使得解锁杆运动一定行程使电连接器插头插座解锁。电连接器插头解锁后，在分离钢索拉力、弹簧力、喷流压力共同作用下，向外运动远离插座。级间憋压分离过程，发动机先点火后切割分离，初步分析表明，燃气喷流在级间段内产生复杂热环境，但电连接器及分离钢索结构均有防热材料进行热防护，可以免受热流影响，可以忽略热环境对电连接器分离的影响;高速燃气流回流主流方向为轴向，与钢索夹角较小，可形成快速绕流，但并不会滞止于此。沿钢索方向的拉脱力主要为流向粘性力，量值极小，且在工程实际中分离钢索被电缆所
14、包围，不易受到气流直接冲刷。因此，可忽略燃气流流速和热冲刷对电连接器分离的影响。当分离钢索拉力与电连接器插头脱开方向存在夹角时，此时分离钢索上的拉力存在两个分量。沿脱开方向的拉力分量使得电连接器解锁分离，而垂直于脱开方向的力会使得电连接器插头与插座之间局部出现较大应力，增大了脱开的摩擦力，且由于局部应力作用可能导致电连接器插座出现局部断裂的现象。因此，9232023 年 4 月林三春，等:级间憋压分离电连接器高速斜拉分离过程有限元分析第 2 期为保证分离的安全性和可靠性，基于有限元方法建立电连接器高速斜拉仿真模型，模拟高速斜拉分离过程，从而分析局部应力大小，观察其分离姿态与变形。2建立电连接器
15、高速斜拉分离仿真模型21分离钢索高速变形过程分析对拉紧后串联式分离钢索在高速拉动下非线性大变形的准确模拟，是准确建立电连接器高速斜拉分离有限元模型的关键。本节对分离钢索单独建立有限元模型进行研究并与试验结果进行对比验证。分离钢索采用 S 形分离钢索，可适应高速、大变形的分离环境。分离钢索一端与壳体碎片连接，另一端与电连接器连接，在壳体碎片高速分离时，能为电连接器提供一定的缓冲，避免发生破坏。外形如图 2 所示。图 2分离钢索Fig2Separation cable基于 ABAQUS 建立分离钢索高速变形仿真模型(见图 3)，分析 S 形分离钢索高速分离时，钢索各个部位的变形、拉脱情况，获取拉力
16、-位移曲线。采用“钢环”模拟钢索保险丝固定作用，接触模型为硬接触，摩擦系数为 01。分离钢索两端为刚性圆柱体，一端固定，一端施加一定速度和加速度，分别模拟壳体碎片和电连接器插头11。图 3S 形分离钢索模型Fig3S shape separation cable model通过仿真分析可得到，运动一端变形最大，最先拉脱;靠近电连接器一端，变形最小，最晚拉脱，分离钢索拉力峰值为 1536 N，最大变形量为 454 mm，试验得到分离钢索拉力最大值为1850 N，最大变形量为 44 mm，仿真分析结果与试验结果较为接近。22建立电连接器高速斜拉分离有限元仿真模型在分离钢索高速分离有限元模型的基础上，加入电连接器结构，进一步建立含分离钢索的电连接器高速斜拉分离有限元仿真模型。基于 ABAQUS 建立电连接器高速斜拉分离有限元仿真模型，模型中包括壳体碎片、分离钢索、电连接器插头(含解锁杆、电连接器插头外壳等)、电连接器插座外壳。网格采用六面体网格，分析步为动态分析步，接触为硬接触，摩擦系数为 01。建模过程，为提高计算效率，进行以下几个方面的简化1214:(1)分离钢索建模方法采用 21 节的
